第4章输入输出通道
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优点：无需专门的I/O指令，简化了指令系统的设 计，并能省去相应的I/O操作的对外引线，而且 CPU可直接对I/O数据进行算术和逻辑运算，指令 丰富。 不足：I/O端口地址占用了一部分存储器空间；另 外访问内存的指令长度一般比专用的I/O指令长， 因而取指周期较长，又多占了指令字节。
应用：采用这种方式的CPU主要有Intel 8031和 Intel 80196系列单片机等。
8位 输入 寄存器
8位 DAC 寄存器
D
Q LE1
D
Q LE2 当 LE=1时 ,输 出 数 据随输入变化。 当 LE=0时 ,输 出 数 据被锁存。
3. 8位D/A转换器及其接口
（2）DAC0832接口电路
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 DI 7 DI 6 DI 5 DI 4 DI 3 DI 2 DI 1 DI 0 D 8位 输入 寄存器 D Q LE1 Q D 8位 DAC 寄存器 D Q LE2 V REF CS W R1 XFER W R2 Q 8位 DAC 转换器 AGND R fb I OUT1 I OUT2
链接动画
4.2.2 D/A通道的输出电路
1.电压输出方式
（1）单极性输出
VREF R fb IOUT1 A VOUT IOUT2 DA转 换 器 VREF
D
4 位 输入 寄存 器
Q
D
Q AGND
D
Q LE2
D
Q LE3
VR E F
当 L E = 1时 ， Q = D ; 当 L E = 0时 ， 锁 存 数 据
Vc c DGND
（2）DAC1210接口电路
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 (M SB) D I 11 D Q D I10 DI9 DI8 8位 输入 DI7 寄存 器 DI 6 DI 5 DI 4 Q D LE1 PC 总线 DI3 DI2 DI1 DI0 (LSB) A0 A9 A8 A7 A6 A5 A EN A4 A3 A2 A1 —— IO W BY TE 1 / BY TE 2 LE2
4.1.3 CPU对过程通道的控制方式
3 直接存储器存取(DMA)方式
特点：完全由硬件完成输入输出操作，I/O通道和 存储器之间不通过CPU而直接进行数据交换。 优点：速度快，数据传送速度只受存储器存取时 间的限制。 缺点：需要一个专用的芯片——DMA控制器来加以 控制、管理，硬件连接也稍显复杂一些。 所谓“可编程接口”就 是指其功能可由程序指令 (接口芯片功能设定的初始 化程序)设定接口芯片的功 能。
3. 8位D/A转换器及其接口
链接动画
（1）DAC0832芯片 8位D/A转换器，电流输出方式，稳定时间为1s， 采用20脚双立直插式封装。
(M SB) D I7 D I6 D I5 D I4 D I3 D I2 D I1 D I0 (LSB) ILE CS W R1 X FER W R2 D Q D Q Rf b 8位 DAC 转换器 I O U T1 I O U T2 AGND V REF DGND V CC
⑵工作时序；
⑶带负载能力。
4.2 模拟量输出通道 引言
模拟量输出通道的任务--把计算机处理后的数字 量信号转换成模拟量电压或电流信号，去驱动相 应的执行器，从而达到控制的目的; 模拟量输出通道(称为D/A通道或AO通道)构成-一般是由接口电路、数/模转换器(简称D/A或DAC) 通道 1 V/I D/A 接 和电压/电流变换器等; 口 模拟量输出通道构成特点：一路输出对应一个 电 D/A转换器；兼有信号保持作用，即把主机在上 路 D/A V/I 通道 n 一时刻对执行机构的控制作用维持到下一个输出 时刻 。
Rn
R fb R
R
链接动画
R--2R 电 阻 网 络 图 3-2 D/A 转 换 器 原 理 框 图
假设D3、D2、D1、D0全为1，则BS3、BS2、BS1、BS0全 部与“1”端相连。根据电流定律，有：
I3 VREF 2R 2
3
VREF 2 R
4
I2
I3 2
2
2
VREF 2 R
GB C B A
Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
DGND
链接动画
图 3-6 D A C1210接 口 电 路
（2）DAC1210接口电路 接口程序：
DAC： MOV DX，0381H MOV AL，[DATA] OUT DX，AL ；送高8位数据 DEC DX MOV AL，[DATA+1] OUT DX，AL ；送低4位数据 MOV DX，0384H OUT DX，AL ；完成12位数据转换
4
I1
I2 2
2
1
VREF 2 R
4
由于开关 BS3 BS0 的状态是受要转换的二进制数 D3、 D2、D1、D0 控制的，并不一定全是“1”。因此，可以得到通 式：
I OUT D3 I 3 D2 I 2 D1 I1 D0 I 0
I OUT ( D3 2 D2 2 D1 2 D0 2 )
VREF
2. D/A转换器的性能指标
①分辨率
指D/A转换器能分辨的最小输出模拟增量，即当输入
数字发生单位数码变化时所对应输出模拟量的变化量，它 取决于能转换的二进制位数，数字量位数越多，分辨率也
就越高。分辨率与二进制位数n呈下列关系：
分辨率=满刻度值/（2n-1）=VREF /2n
②转换精度
指转换后所得的实际值和理论值的接近程度。它和分 辨率是两个不同的概念。对于分辨率很高的D/A转换器并不 一定具有很高的精度。
4.1.3 CPU对过程通道的控制方式
问题的产生：计算机的外围设备及过程通道种类 繁多，它们的传送速率又不相同，因此输入输出将 产生复杂的定时问题，也就是CPU采用什么控制方 式向过程通道输入和输出数据。
1 程序查询方式
特点：传送前必须查询I/O通道的状态，准备就绪则 传送，反之则等待。 优点：能保证主机与输入输出通道之间协调工作， 硬件线路简单，程序容易实现 。 缺点：需要重复查询输入输出通道是否“准备就绪”， 从而浪费了CPU的时间。
3 2 1 0
VREF 2 R
4
考虑到放大器反相端为虚地，故：
I Rfb I OUT
选取 Rfb = R ，可以得到：
VOUT I RF R f ( D3 2 D2 2 D1 2 D0 2 )
3 2 1 0
VREF 2
4
对于nwenku.baidu.com D/A 转换器，它的输出电压VOUT与输入二进制数 B( Dn-1～ D0) 的关系式可写成：
4.1.2 过程通道的编址方式
1 过程通道与存储器统一编址方式
特点：又称存储器映像方式，它从存储器空间划出 一部分地址空间给过程通道，把过程通道的端口当 作存储单元一样进行访问，对I/O端口进行输入输 出操作跟对存储单元进行读写操作方式相同，只是 地址不同。
4.1.2 过程通道的编址方式
1 过程通道与存储器统一编址方式
4.1.3 CPU对过程通道的控制方式
2 中断控制方式
特点：CPU与I/0通道处于异步工作方式。当CPU 与 I/O通道需要传送数据时，过程通道做好准备 后，主动向CPU请求中断,CPU响应这一请求，并 暂停正在运行的程序。 优点：通道需要传送数据时就向CPU发出中断请 求信号，实时性比程序查询方式好。 缺点：CPU内部需要有一些线路来控制；每次执 行“中断处理程序”，都要保护断点、恢复断点， 浪费了很多不必要的CPU时间。 应用：一般较适合于过程通道传送少量数据的场合。
第四章
过程输入、输出通道
本章主要内容
1、过程输入输出通道的控制方式 2、模拟量输出通道 3、模拟量输入通道 4、数字量输入输出通道 5、量化误差与字长选择 6、数据预处理
4.1 过程输入输出通道的控制方式
4.1.1 通道与CPU交换的信息类型
(1)数据信息 (2)状态信息 (3)控制信息
链接动画
（2）DAC0832接口电路（续2）
接口程序： DOUT PROC NEAR MOV CX，8 MOV BX，OFFSET BUF0 NEXT: MOV AL，[BX]
OUT CH0，AL
INC CH0 INC BX
LOOP NEXT RET
DOUT ENDP
4.高于8位的D/A转换器及其接口
n1 n2 1 0
VOUT ( Dn1 2 Dn2 2 D1 2 D0 2 ) n 2 VREF B n 2 结论：由上述推导可见，输出电压除了与输入的 二进制数有关，还与运算放大器的反馈电阻Rfb以及 基准电压VREF有关。
PC 总 线
4.2 模拟量输出通道
4.2.1 D/A转换器
D/A转换器是一种把数字量转换成模拟量的电子器件。
1
D/A转换器的工作原理 D D
3 2
数字量输入 D1
D0 IO U T
I R fb
Rfb
⑴原理框图：
开 关 1 0 1 0 1 0 1 0
A
VO U T 运算放大器
+ ⑵转换过程：虚地、电流分配、电流流向； 位切换
（1）DAC1210芯片
(M SB ) D I11 D I10 D I9 D I8 D I7 DI6 D I5 D I4 D Q D Q
链接动画
8 位 输入 寄存 器
Rfb 12位 DAC 寄存器 Q D
12位 D /A 转换器 I OUT 2 IO U T 1
D
Q LE1
D I3 D I2 D I1 D I0 (L SB ) BYTE 1 / BYTE2 CS W R1 XFER W R2
4.1.2 过程通道的编址方式
2 过程通道与存储器独立编址方式
特点：将过程通道的端口地址单独编址，有自己独 立的过程通道地址空间，而不是占用存储器地址空 间。在过程通道地址空间中，每一个过程通道的端 口有一个唯一对应的过程通道的端口地址。 控制：要求有专用的I/O指令(IN及OUT指令)用于CPU 与过程通道端口之间的数据传输。地址总线配合存 储器操作信号实现存储器的访问控制，而地址总线 与I/O操作信号配合则可访问过程通道。 应用：典型的微处理器Z80和80X86，分别有存储器 访问和I/O访问的指令及相应的控制信号。
4.1.4 过程通道接口设计应考虑的问题
1 接口电路的基本任务
过程通道与CPU的桥梁 ⑴ 控制信息的传递路径； ⑵ 控制信息传送的顺序；
2 接口电路设计中应解决的问题
⑴触发方式；
同步触发：指系统的许多相关部件或功能块在同一门控 信号作用下完成要求的操作。 异步触发：指各相关部件或功能块不需在同一信号控制 下完成自己的操作，但一般需要按一定的顺序进行。
(4)D/A转换器的性能指标
③偏移量误差
指输入数字量时，输出模拟量对于零的偏移值。此误差
可通过D/A转换器的外接VREF和电位器加以调整。
④稳定时间
描述D/A转换速度快慢的一个参数，指从输入数字量变 化到输出模拟量达到终值误差1/2LSB时所需的时间。对于
输出是电流的D/A转换器来说，稳定时间是很快的，约几微 秒，而输出是电压的D/A转换器，其稳定时间主要取决于运 算放大器的响应时间。
链接动画
_ +
VO UT
PC 总线
A5 A9 A8 A7 A6 AEN A4 A3 A2 A1 A0 IOW
74LS138 G1 Y0 Y1 GA Y2 Y3 GB Y4 C Y5 B Y6 A Y7
+5V ILE
-5V +5V
V CC
DGND
DAC0832
图 3-5
MOV DX，220H MOV AL，[DATA] DAC0832的 单 缓 冲 接 口 电 路 OUT DX，AL
⑶转换公式： BS3
n 1
BS2
BS1
n2
BS0
V out ( D2R1 2 n
基准 电压 V R EF I3
I2
2R n 2 2 D
I1 R
2R
I0
D2R 2 2R 0 2 ) D 1
1 0
V REF 2
n
R fb R
B
V REF 2
G1 Y0 Y1 GA Y2
D
Q Rfb
D
Q 12位 D /A 转换器
IO U T 1 + I OUT 2 V O UT
12位 DAC 寄存器 Q
D
Q 4位 输入 寄存 器 D Q
D
AG ND
D
Q LE3
VR E F Vc c
-5V 12V
CS W R1 X FER WR2 D A C1210
138
应用：采用这种方式的CPU主要有Intel 8031和 Intel 80196系列单片机等。
8位 输入 寄存器
8位 DAC 寄存器
D
Q LE1
D
Q LE2 当 LE=1时 ,输 出 数 据随输入变化。 当 LE=0时 ,输 出 数 据被锁存。
3. 8位D/A转换器及其接口
（2）DAC0832接口电路
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 DI 7 DI 6 DI 5 DI 4 DI 3 DI 2 DI 1 DI 0 D 8位 输入 寄存器 D Q LE1 Q D 8位 DAC 寄存器 D Q LE2 V REF CS W R1 XFER W R2 Q 8位 DAC 转换器 AGND R fb I OUT1 I OUT2
链接动画
4.2.2 D/A通道的输出电路
1.电压输出方式
（1）单极性输出
VREF R fb IOUT1 A VOUT IOUT2 DA转 换 器 VREF
D
4 位 输入 寄存 器
Q
D
Q AGND
D
Q LE2
D
Q LE3
VR E F
当 L E = 1时 ， Q = D ; 当 L E = 0时 ， 锁 存 数 据
Vc c DGND
（2）DAC1210接口电路
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 (M SB) D I 11 D Q D I10 DI9 DI8 8位 输入 DI7 寄存 器 DI 6 DI 5 DI 4 Q D LE1 PC 总线 DI3 DI2 DI1 DI0 (LSB) A0 A9 A8 A7 A6 A5 A EN A4 A3 A2 A1 —— IO W BY TE 1 / BY TE 2 LE2
4.1.3 CPU对过程通道的控制方式
3 直接存储器存取(DMA)方式
特点：完全由硬件完成输入输出操作，I/O通道和 存储器之间不通过CPU而直接进行数据交换。 优点：速度快，数据传送速度只受存储器存取时 间的限制。 缺点：需要一个专用的芯片——DMA控制器来加以 控制、管理，硬件连接也稍显复杂一些。 所谓“可编程接口”就 是指其功能可由程序指令 (接口芯片功能设定的初始 化程序)设定接口芯片的功 能。
3. 8位D/A转换器及其接口
链接动画
（1）DAC0832芯片 8位D/A转换器，电流输出方式，稳定时间为1s， 采用20脚双立直插式封装。
(M SB) D I7 D I6 D I5 D I4 D I3 D I2 D I1 D I0 (LSB) ILE CS W R1 X FER W R2 D Q D Q Rf b 8位 DAC 转换器 I O U T1 I O U T2 AGND V REF DGND V CC
⑵工作时序；
⑶带负载能力。
4.2 模拟量输出通道 引言
模拟量输出通道的任务--把计算机处理后的数字 量信号转换成模拟量电压或电流信号，去驱动相 应的执行器，从而达到控制的目的; 模拟量输出通道(称为D/A通道或AO通道)构成-一般是由接口电路、数/模转换器(简称D/A或DAC) 通道 1 V/I D/A 接 和电压/电流变换器等; 口 模拟量输出通道构成特点：一路输出对应一个 电 D/A转换器；兼有信号保持作用，即把主机在上 路 D/A V/I 通道 n 一时刻对执行机构的控制作用维持到下一个输出 时刻 。
Rn
R fb R
R
链接动画
R--2R 电 阻 网 络 图 3-2 D/A 转 换 器 原 理 框 图
假设D3、D2、D1、D0全为1，则BS3、BS2、BS1、BS0全 部与“1”端相连。根据电流定律，有：
I3 VREF 2R 2
3
VREF 2 R
4
I2
I3 2
2
2
VREF 2 R
GB C B A
Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
DGND
链接动画
图 3-6 D A C1210接 口 电 路
（2）DAC1210接口电路 接口程序：
DAC： MOV DX，0381H MOV AL，[DATA] OUT DX，AL ；送高8位数据 DEC DX MOV AL，[DATA+1] OUT DX，AL ；送低4位数据 MOV DX，0384H OUT DX，AL ；完成12位数据转换
4
I1
I2 2
2
1
VREF 2 R
4
由于开关 BS3 BS0 的状态是受要转换的二进制数 D3、 D2、D1、D0 控制的，并不一定全是“1”。因此，可以得到通 式：
I OUT D3 I 3 D2 I 2 D1 I1 D0 I 0
I OUT ( D3 2 D2 2 D1 2 D0 2 )
VREF
2. D/A转换器的性能指标
①分辨率
指D/A转换器能分辨的最小输出模拟增量，即当输入
数字发生单位数码变化时所对应输出模拟量的变化量，它 取决于能转换的二进制位数，数字量位数越多，分辨率也
就越高。分辨率与二进制位数n呈下列关系：
分辨率=满刻度值/（2n-1）=VREF /2n
②转换精度
指转换后所得的实际值和理论值的接近程度。它和分 辨率是两个不同的概念。对于分辨率很高的D/A转换器并不 一定具有很高的精度。
4.1.3 CPU对过程通道的控制方式
问题的产生：计算机的外围设备及过程通道种类 繁多，它们的传送速率又不相同，因此输入输出将 产生复杂的定时问题，也就是CPU采用什么控制方 式向过程通道输入和输出数据。
1 程序查询方式
特点：传送前必须查询I/O通道的状态，准备就绪则 传送，反之则等待。 优点：能保证主机与输入输出通道之间协调工作， 硬件线路简单，程序容易实现 。 缺点：需要重复查询输入输出通道是否“准备就绪”， 从而浪费了CPU的时间。
3 2 1 0
VREF 2 R
4
考虑到放大器反相端为虚地，故：
I Rfb I OUT
选取 Rfb = R ，可以得到：
VOUT I RF R f ( D3 2 D2 2 D1 2 D0 2 )
3 2 1 0
VREF 2
4
对于nwenku.baidu.com D/A 转换器，它的输出电压VOUT与输入二进制数 B( Dn-1～ D0) 的关系式可写成：
4.1.2 过程通道的编址方式
1 过程通道与存储器统一编址方式
特点：又称存储器映像方式，它从存储器空间划出 一部分地址空间给过程通道，把过程通道的端口当 作存储单元一样进行访问，对I/O端口进行输入输 出操作跟对存储单元进行读写操作方式相同，只是 地址不同。
4.1.2 过程通道的编址方式
1 过程通道与存储器统一编址方式
4.1.3 CPU对过程通道的控制方式
2 中断控制方式
特点：CPU与I/0通道处于异步工作方式。当CPU 与 I/O通道需要传送数据时，过程通道做好准备 后，主动向CPU请求中断,CPU响应这一请求，并 暂停正在运行的程序。 优点：通道需要传送数据时就向CPU发出中断请 求信号，实时性比程序查询方式好。 缺点：CPU内部需要有一些线路来控制；每次执 行“中断处理程序”，都要保护断点、恢复断点， 浪费了很多不必要的CPU时间。 应用：一般较适合于过程通道传送少量数据的场合。
第四章
过程输入、输出通道
本章主要内容
1、过程输入输出通道的控制方式 2、模拟量输出通道 3、模拟量输入通道 4、数字量输入输出通道 5、量化误差与字长选择 6、数据预处理
4.1 过程输入输出通道的控制方式
4.1.1 通道与CPU交换的信息类型
(1)数据信息 (2)状态信息 (3)控制信息
链接动画
（2）DAC0832接口电路（续2）
接口程序： DOUT PROC NEAR MOV CX，8 MOV BX，OFFSET BUF0 NEXT: MOV AL，[BX]
OUT CH0，AL
INC CH0 INC BX
LOOP NEXT RET
DOUT ENDP
4.高于8位的D/A转换器及其接口
n1 n2 1 0
VOUT ( Dn1 2 Dn2 2 D1 2 D0 2 ) n 2 VREF B n 2 结论：由上述推导可见，输出电压除了与输入的 二进制数有关，还与运算放大器的反馈电阻Rfb以及 基准电压VREF有关。
PC 总 线
4.2 模拟量输出通道
4.2.1 D/A转换器
D/A转换器是一种把数字量转换成模拟量的电子器件。
1
D/A转换器的工作原理 D D
3 2
数字量输入 D1
D0 IO U T
I R fb
Rfb
⑴原理框图：
开 关 1 0 1 0 1 0 1 0
A
VO U T 运算放大器
+ ⑵转换过程：虚地、电流分配、电流流向； 位切换
（1）DAC1210芯片
(M SB ) D I11 D I10 D I9 D I8 D I7 DI6 D I5 D I4 D Q D Q
链接动画
8 位 输入 寄存 器
Rfb 12位 DAC 寄存器 Q D
12位 D /A 转换器 I OUT 2 IO U T 1
D
Q LE1
D I3 D I2 D I1 D I0 (L SB ) BYTE 1 / BYTE2 CS W R1 XFER W R2
4.1.2 过程通道的编址方式
2 过程通道与存储器独立编址方式
特点：将过程通道的端口地址单独编址，有自己独 立的过程通道地址空间，而不是占用存储器地址空 间。在过程通道地址空间中，每一个过程通道的端 口有一个唯一对应的过程通道的端口地址。 控制：要求有专用的I/O指令(IN及OUT指令)用于CPU 与过程通道端口之间的数据传输。地址总线配合存 储器操作信号实现存储器的访问控制，而地址总线 与I/O操作信号配合则可访问过程通道。 应用：典型的微处理器Z80和80X86，分别有存储器 访问和I/O访问的指令及相应的控制信号。
4.1.4 过程通道接口设计应考虑的问题
1 接口电路的基本任务
过程通道与CPU的桥梁 ⑴ 控制信息的传递路径； ⑵ 控制信息传送的顺序；
2 接口电路设计中应解决的问题
⑴触发方式；
同步触发：指系统的许多相关部件或功能块在同一门控 信号作用下完成要求的操作。 异步触发：指各相关部件或功能块不需在同一信号控制 下完成自己的操作，但一般需要按一定的顺序进行。
(4)D/A转换器的性能指标
③偏移量误差
指输入数字量时，输出模拟量对于零的偏移值。此误差
可通过D/A转换器的外接VREF和电位器加以调整。
④稳定时间
描述D/A转换速度快慢的一个参数，指从输入数字量变 化到输出模拟量达到终值误差1/2LSB时所需的时间。对于
输出是电流的D/A转换器来说，稳定时间是很快的，约几微 秒，而输出是电压的D/A转换器，其稳定时间主要取决于运 算放大器的响应时间。
链接动画
_ +
VO UT
PC 总线
A5 A9 A8 A7 A6 AEN A4 A3 A2 A1 A0 IOW
74LS138 G1 Y0 Y1 GA Y2 Y3 GB Y4 C Y5 B Y6 A Y7
+5V ILE
-5V +5V
V CC
DGND
DAC0832
图 3-5
MOV DX，220H MOV AL，[DATA] DAC0832的 单 缓 冲 接 口 电 路 OUT DX，AL
⑶转换公式： BS3
n 1
BS2
BS1
n2
BS0
V out ( D2R1 2 n
基准 电压 V R EF I3
I2
2R n 2 2 D
I1 R
2R
I0
D2R 2 2R 0 2 ) D 1
1 0
V REF 2
n
R fb R
B
V REF 2
G1 Y0 Y1 GA Y2
D
Q Rfb
D
Q 12位 D /A 转换器
IO U T 1 + I OUT 2 V O UT
12位 DAC 寄存器 Q
D
Q 4位 输入 寄存 器 D Q
D
AG ND
D
Q LE3
VR E F Vc c
-5V 12V
CS W R1 X FER WR2 D A C1210
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